Les plantes sont incroyablement sensibles – ce que nous avons appris sur leur système de réponse pourrait aider à protéger les humains

À première vue, les plantes peuvent sembler passives – mais sous leur immobilité se trouve un monde de complexité et d'activité constante. Les plantes sont très sensibles à leur environnement, surveillant continuellement les signaux environnementaux pour s'adapter et survivre. Considérez-les comme des voisins curieux de la nature, toujours alerter ce qui se passe autour d'eux.

Des changements subtils de la lumière et de la température à la présence de pollinisateurs, de microbes ou de changements dans la salinité du sol, les plantes peuvent détecter une gamme d'indices. En réponse, ils peuvent modifier la direction de croissance, retarder la floraison ou produire des produits chimiques protecteurs.

Mes collègues et moi avons créé une carte cellulaire par cellule de la façon dont les plantes réagissent aux signaux du sol. La carte offre un aperçu du comportement des plantes dans un niveau de détail sans précédent. Cela pourrait changer notre compréhension de la façon dont les êtres vivants s'adaptent à leur environnement et aident les plantes à survivre au changement climatique.

Il est d'abord important de comprendre comment les gènes fonctionnent au sein d'un organisme.

Le génome humain contient environ 20 000 gènes. Mais, comme les autres animaux et les plantes, tous ces gènes ne sont pas actifs en même temps ou dans chaque cellule. Cela s'appelle l'expression sélective des gènes. Pendant des années, les scientifiques ont estimé que l'expression sélective des gènes était la principale explication de la raison pour laquelle nos cellules cutanées diffèrent des cellules musculaires même si elles portent le même plan génétique. Chaque type de cellule active un ensemble unique de gènes, produisant des protéines qui définissent sa structure et sa fonction.

Mais les découvertes scientifiques au cours de la dernière décennie ont révélé qu'il y a plus dans l'histoire. Il devient plus clair que la fonction d'une cellule est également déterminée par ce qui arrive à ces protéines par la suite.

Une fois qu'une protéine est apportée, elle peut subir des modifications chimiques qui modifient son comportement. Pensez-y comme en utilisant un outil. Si vous avez besoin de voir loin, vous pourriez prendre un télescope. Vous êtes toujours la même personne, mais maintenant avec une vision améliorée. De même, une protéine peut être «mise à niveau» avec une étiquette qui stimule son activité. D'un autre côté, imaginez être équipé d'une balle et d'une chaîne – votre mouvement est restreint. Les cellules font quelque chose de similaire aux protéines qu'ils produisent, attachant des molécules qui activent ou suppriment leur fonction.

Ce processus, connu sous le nom de modification post-traductionnelle (PTM), ajoute une nouvelle couche de complexité à la biologie. Le premier PTM identifié a été la phosphorylation en 1906. Les scientifiques ont depuis identifié plus de 500 types de ces modifications. Par exemple, l'ubiquitination, une étiquette qui marque souvent des protéines pour la destruction. C'est la façon de nettoyer la maison de la cellule, l'élimination des protéines qui ne sont plus nécessaires, un peu comme laver et stocker votre tasse de café après utilisation (bien que certains d'entre nous soient meilleurs que d'autres!).

Ces minuscules ajustements moléculaires aident les cellules à répondre aux conditions changeantes, régulent leur machinerie interne et maintiennent la santé de l'organisme.

La plupart des PTM impliquent des processus complexes qui se déroulent dans différentes parties de la cellule, ce qui les rend difficiles à suivre et à comprendre pour les scientifiques. Mais la sumoylation, un type de PTM, repose sur un ensemble plus simple d'enzymes. Et les chercheurs pensent que ce système rationalisé est étroitement lié à son rôle dans l'aide aux cellules à répondre à leur environnement.

Ceci est particulièrement important dans les plantes, où les indices environnementaux comme la lumière, la température, l'humidité et la sécheresse influencent les stades de développement tels que la germination, la floraison et la perte de feuilles. Ces indices affectent également la structure, comme la complexité des racines et la ramification des tiges. Comprendre comment les plantes utilisent la sumoylation pour interpréter et répondre à ces signaux pourrait ouvrir la voie à des pratiques agricoles plus intelligentes et plus durables.

Pour démêler le fonctionnement de la sumoylation dans des plantes, un groupe de scientifiques au Royaume-Uni – soutenu par le Conseil de recherche sur la biotechnologie et les sciences biologiques – a formé un consortium de recherche. Cette initiative a réuni des experts (dont moi) de quatre universités: Durham, Nottingham, Cambridge et Liverpool.

Le premier obstacle du consortium a été de construire un système qui pouvait suivre l'activité de chaque enzyme impliquée dans la production de sumo au sein de l'usine modèle Arabidopsis thaliana. Beaucoup de gens connaissent également cette plante sous le nom de Thale Cress et il est courant de le trouver dans le bord des routes et des sentiers pédestres. Cette plante a été choisie pour sa structure simple, sa composition génétique bien étudiée et ses réponses prévisibles aux changements environnementaux – ce qui le rend idéal pour étudier les processus biologiques complexes.

Ce système a permis à mes collègues et à moi de surveiller quand et où chaque composant de la machinerie SUMO était actif, aux côtés des protéines qu'il modifie. La plate-forme a également permis une analyse moléculaire plus approfondie, comme l'identification des partenaires moléculaires inconnus auparavant.

Le prochain défi était d'explorer comment chaque composant du système SUMO se comporte lorsque les plantes sont confrontées à un stress environnemental. L'équipe s'est concentrée sur la sécheresse, la salinité du sol ou de l'eau et l'attaque des agents pathogènes. Étant donné que les racines sont souvent la première partie de la plante à sentir et à répondre à ces menaces, nous avons zoomé sur cet organe pour comprendre son rôle dans l'adaptation au stress.

Nos résultats ont révélé que le stress de la sécheresse déclenche la signalisation du sumo profondément dans les tissus internes de la racine, tandis que le stress salin est détecté aux couches extérieures. Et les attaques de pathogènes activent les réponses dans les cellules de division de la racine. Les cellules divisées sont celles qui viennent d'être faites et qui n'ont pas atteint la maturité. Tous ces signaux de stress semblent converger sur une seule protéine, SCE1. Cette protéine aide à fixer le sumo aux pôles moléculaires qui guident les changements cellulaires.

Cela fait de SCE1 un candidat prometteur pour développer de nouvelles stratégies pour stimuler la résilience des plantes. Si nous améliorons la fonction de SCE1, il peut être possible d'aider les plantes à répondre plus rapidement à la sécheresse et à initier des mécanismes de protection pour conserver l'eau avant que les dommages ne deviennent irréversibles.

Comprendre comment l'adaptation des cellules de forme et la fonction des cellules de forme ouvrent de nouvelles voies pour lutter contre le stress dans les plantes. Mais les implications vont bien au-delà de l'agriculture. Les mêmes principes s'appliquent à la santé animale et humaine, où les PTM jouent un rôle critique dans l'immunité, le développement et la résistance aux maladies. Déverrouiller leurs secrets pourrait changer la façon dont nous abordons tout, de la résilience des cultures aux thérapies médicales.

Miguel de Lucas, professeur agrégé en biosciences, Université de Durham